纳米传感器

纳米传感器是测量物理量并将这些量转换为可以检测和分析的信号的纳米级设备。今天提出了几种制造纳米传感器的方法。这些包括自上而下的光刻，自下而上的组装以及分子自组装。市场上和正在开发中的用于各种应用的纳米传感器类型不同。尽管所有传感器测量的都是不同的东西，但是传感器共享相同的基本工作流程：分析物的选择性结合，纳米传感器与生物元素相互作用产生的信号以及将信号处理为有用的指标。

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与传统材料制成的传感器相比，基于纳米材料的传感器在灵敏度和特异性方面具有多项优势。纳米传感器之所以具有更高的特异性，是因为它们的运行规模与天然生物过程相似，可以利用化学和生物分子进行功能化，并具有引起可检测物理变化的识别事件。灵敏度的提高源于纳米材料的高表面积体积比，以及可以用作检测基础的纳米材料的新颖物理特性，包括纳米光子学。纳米传感器还可以潜在地与纳米电子器件集成，从而为纳米传感器增加本地处理能力。

除了灵敏度和特异性外，纳米传感器还具有成本和响应时间方面的显着优势，这使得纳米传感器适用于高通量应用。与传统的检测方法（例如色谱法和光谱法）相比，纳米传感器可提供实时监控。这些传统方法可能需要数天至数周才能获得结果，并且通常需要投资于资本成本以及样品制备时间。

与块状或薄膜平面器件相比，诸如纳米线和纳米管的一维纳米材料非常适合用于纳米传感器。它们既可以充当换能器，也可以充当电线来传输信号。它们的高表面积会在结合分析物时引起较大的信号变化。它们的小尺寸可以在一个小型设备中实现可单独寻址的传感器单元的广泛复用。在不需要分析物上有荧光或放射性标记的意义​​上，它们的操作也是“无标记的”。

纳米传感器面临许多挑战，包括避免结垢和漂移，开发可重现的校准方法，应用预浓缩和分离方法以获得避免饱和的适当分析物浓度以及以可靠的可制造方式将纳米传感器与传感器组件中的其他元件集成在一起。由于纳米传感器是一项相对较新的技术，因此有关纳米毒理学的问题很多悬而未决，目前限制了它们在生物系统中的应用。一些纳米传感器可能会影响细胞的新陈代谢和体内平衡，从而改变细胞分子的分布，并使其很难将传感器引起的伪影与基本生物学现象区分开。

纳米传感器的潜在应用包括药物，污染物和病原体的检测以及监测制造过程和运输系统。通过测量物理性质（体积、浓度、位移和速度、重力、电和磁力、压力或温度）的变化，纳米传感器可以在分子水平上区分和识别某些细胞为了提供药物或监测人体特定部位的发育。信号转导的类型定义了纳米传感器的主要分类系统。纳米传感器读数的一些主要类型包括光学、机械、振动或电磁。

有多种机制可以将识别事件转换为可测量的信号。电化学纳米传感器基于检测由于散射的变化或电荷载流子的耗尽或积累而导致的分析物结合后纳米材料中的电阻变化。一种可能性是使用碳纳米管，导电聚合物或金属氧化物纳米线之类的纳米线作为场效应晶体管的栅极，尽管截至2009年，它们尚未在实际条件下得到证明。化学纳米传感器包含化学识别系统和物理化学传感器，其中受体与分析物相互作用以产生电信号。在一种情况下，当分析物与受体相互作用时，纳米多孔换能器的阻抗变化被确定为传感器信号。其他示例包括电磁或等离子体纳米传感器，光谱纳米传感器（如表面增强拉曼光谱），磁电子或自旋电子纳米传感器以及机械纳米传感器。

光子设备也可用作纳米传感器，以量化临床相关样品的浓度。这些传感器的工作原理基于结合了布拉格光栅的水凝胶膜体积的化学调制。当水凝胶在化学刺激下膨胀或收缩时，布拉格光栅会改变颜色并使不同波长的光发生衍射。衍射光可以与目标分析物的浓度相关。

另一类纳米传感器是通过比色法工作的纳米传感器。在此，分析物的存在引起化学反应或形态变化，从而发生可见的颜色变化。一种这样的应用是金纳米颗粒可用于检测重金属。也可以通过比色变化检测到许多有害气体，例如通过市售的DrägerTube。这些可以替代庞大的实验室规模的系统，因为它们可以小型化以用于采样点设备。例如，许多化学药品受到环境保护署的监管并需要进行广泛的测试，以确保污染物水平在适当的范围内。比色纳米传感器提供了一种现场确定许多污染物的方法。

目前有几种假设的生产纳米传感器的方法。自上而下的光刻是现在制造大多数集成电路的方式。它涉及从一些较大的材料开始，然后雕刻出所需的形式。这些精雕细琢的设备，特别是在用作微传感器的特定微机电系统中使用的设备，通常只能达到微米尺寸，但是其中最新的已开始包含纳米尺寸的组件。

生产纳米传感器的另一种方法是通过自下而上的方法，该方法包括将传感器组装成更多的微小成分，最可能是单个原子或分子。这将涉及将特定物质的原子一个一个地移动到特定位置，尽管这是在实验室测试中使用原子力显微镜之类的工具实现的，但由于逻辑上的原因，这仍然是一个很大的困难，尤其是在批量生产时以及经济的。此过程最有可能主要用于构建自组装传感器的起始分子。

第三种方法有望带来更快的结果，它涉及自组装或“增长”用作传感器的特定纳米结构。这通常需要一整套已经完整的组件，这些组件会自动将其组装成成品。准确地能够在实验室中为所需的传感器复制这种效果将意味着，科学家可以通过让大量分子在很少或没有外界影响的情况下自行组装，而不必手动组装每个传感器，从而更快，更便宜地制造纳米传感器。

合成纳米传感器的xxx个工作示例之一是由乔治亚州理工学院的研究人员于1999年制造的。它涉及将单个颗粒附着到碳纳米管的末端，并用和测量纳米管的振动频率。没有粒子。两个频率之间的差异使研究人员能够测量附着的粒子的质量。

从那以后，越来越多的研究进入了纳米传感器，从而现代纳米传感器被开发用于许多应用。当前，纳米传感器在市场上的应用包括：医疗保健、国防和军事以及诸如食品、环境和农业的其他领域。

纳米传感器可以改善食品和环境领域的各个子领域，包括食品加工、农业、空气和水质监测以及包装和运输。这些纳米传感器能够快速分析样品并检测食品中的污染物，这对于下游加工和易腐物品尤为重要。

化学传感器可用于分析食品样本中的气味和检测大气中的气体。“电子鼻”于1988年开发，用于使用传统传感器确定食品样品的质量和新鲜度，但是最近，使用纳米材料对传感膜进行了改进。将样品放在一个室内，挥发性化合物在气相中集中，然后将气体泵送通过该室，将香气带到测量其独特指纹的传感器。纳米材料的高表面积体积比允许与分析物进行更大的相互作用，并且纳米传感器的快速响应时间可实现干扰响应的分离。化学传感器也已经使用纳米管制成检测气态分子的各种特性。碳纳米管已用于感测气态分子的电离，而钛制纳米管已用于检测分子水平上大气中氢的浓度。其中许多涉及一个系统，通过该系统可以构建纳米传感器，使其具有另一个分子的特定口袋。当该特定分子（只有该特定分子）适合纳米传感器，并且光照射在纳米传感器上时，它将反射不同波长的光，因此具有不同的颜色。以类似的方式，Flood等人。表明超分子宿主-客体化学提供了定量感应拉曼散射光以及SERS。

目前正在开发其他类型的纳米传感器，包括量子点和金纳米颗粒，以检测环境中的污染物和毒素。可以用与环境污染物特异性结合的抗体修饰量子点表面。基于金纳米粒子的光学传感器可用于非常精确地检测重金属。例如，汞含量低至0.49 nM。这种感应方式利用了荧光共振能量转移（FRET）的优势，其中金属的存在抑制了量子点和金纳米颗粒之间的相互作用，并消除了FRET响应。

在食品和环境中使用纳米传感器的主要挑战是确定其相关的毒性和对环境的总体影响。当前，关于纳米传感器的实施将如何长期影响土壤、植物和人类的知识还不足。由于纳米粒子的毒性在很大程度上取决于粒子的类型，大小和剂量以及环境变量（包括pH值、温度和湿度），因此很难完全解决这一问题。为减轻潜在的风险，正在研究制造安全，无毒的纳米材料，作为绿色纳米技术整体努力的一部分。

纳米传感器的一个示例涉及使用硒化镉 量子点的荧光特性作为传感器来发现体内肿瘤。然而，硒化镉点的不利之处在于它们对身体有剧毒。结果，研究人员正在研究由另一种毒性较小的材料制成的替代点，同时仍保留某些荧光特性。特别是，他们一直在研究硫化锌量子点的特殊好处，尽管它们的荧光性不如硒化镉，但可以用其他金属（包括锰和各种镧系元素）增强。此外，这些较新的量子点与靶细胞结合时会发出更多的荧光。

纳米传感器的另一个应用涉及在IV线中使用硅纳米线来监测器官健康。纳米线对检测痕量生物标志物很敏感，这些标志物通过血液扩散到IV线中，可以监测肾脏或器官衰竭。这些纳米线将允许连续的生物标志物测量，这在时间敏感性方面提供了优于传统生物标志物定量测定法（例如ELISA）的一些好处。

纳米传感器还可用于检测器官植入物中的污染。纳米传感器被嵌入植入物中，并通过发送给临床医生或医疗保健提供者的电信号检测植入物周围细胞中的污染。纳米传感器可以检测出被细菌污染的细胞是否健康、发炎。

当前，由于对纳米传感器的不利影响以及纳米传感器的潜在细胞毒性作用的了解不足，因此对于用于医疗行业的纳米传感器的标准制定有严格的规定。另外，可能存在高昂的原材料成本，例如硅、纳米线和碳纳米管，这阻碍了需要扩大规模实施的纳米传感器的商业化和制造。为了减轻成本的缺点，研究人员正在研究制造由更具成本效益的材料制成的纳米传感器。由于纳米传感器的尺寸小且对不同的合成技术敏感，因此可重复生产纳米传感器还需要很高的精度，这会产生其他技术难题。